Кулачок — это вращающаяся или скользящая деталь в механическом соединении, используемая, в частности, для преобразования вращательного движения в линейное. [1] [2] Часто это часть вращающегося колеса (например, эксцентрикового колеса) или вала (например, цилиндра неправильной формы), который ударяет по рычагу в одной или нескольких точках на его круговой траектории. Кулачок может быть простым зубом, как, например, используется для подачи импульсов мощности на паровой молот , или эксцентриковым диском или другой формой, которая производит плавное возвратно-поступательное (вперед и назад) движение в следящем элементе , который представляет собой рычаг, контактирующий с кулачком. Кулачковый таймер похож и широко использовался для управления электрическими машинами (электромеханический таймер в стиральной машине является распространенным примером) до появления недорогой электроники, микроконтроллеров , интегральных схем , программируемых логических контроллеров и цифрового управления .
Кулачок можно рассматривать как устройство, преобразующее вращательное движение в возвратно-поступательное (или иногда колебательное) движение. [ необходимо пояснение ] [3] Типичным примером является распределительный вал автомобиля , который принимает вращательное движение двигателя и преобразует его в возвратно-поступательное движение, необходимое для работы впускных и выпускных клапанов цилиндров .
Кулачки можно охарактеризовать по диаграммам смещения, которые отражают изменение положения, которое будет занимать толкатель, когда поверхность кулачка движется в контакте с толкателем. В показанном примере кулачок вращается вокруг оси. Эти диаграммы связывают угловое положение, обычно в градусах, с радиальным смещением, испытываемым в этом положении. Диаграммы смещения традиционно представляются в виде графиков с неотрицательными значениями. Простая диаграмма смещения иллюстрирует движение толкателя с постоянным ростом скорости, за которым следует аналогичный возврат с задержкой между ними, как показано на рисунке 2. [4] Подъем — это движение толкателя от центра кулачка, задержка — это движение, при котором толкатель находится в состоянии покоя, а возврат — это движение толкателя к центру кулачка. [5]
Распространенный тип — в приводах клапанов двигателей внутреннего сгорания. Здесь профиль кулачка обычно симметричен, и при обычно встречающихся скоростях вращения развиваются очень высокие силы ускорения. В идеале выпуклая кривая между началом и максимальным положением подъема уменьшает ускорение, но это требует непрактично больших диаметров вала относительно подъема. Таким образом, на практике точки, в которых начинается и заканчивается подъем, означают, что на профиле появляется касательная к базовой окружности. Она непрерывна с касательной к окружности вершины. При проектировании кулачка задаются подъем и угол задержки θ . Если профиль рассматривать как большую базовую окружность и малую окружность вершины, соединенные общей касательной, что дает подъемную силу L , соотношение можно рассчитать, учитывая угол φ между одной касательной и осью симметрии ( φ является π/2 − θ/2 ), в то время как C — расстояние между центрами окружностей (обязательно), R — радиус основания (задан), а r — радиус окружности кончика (обязательно):
Наиболее часто используемый кулачок — это пластинчатый кулачок (также известный как дисковый кулачок или радиальный кулачок [6] ), который вырезается из куска плоского металла или пластины. [7] Здесь толкатель движется в плоскости, перпендикулярной оси вращения распределительного вала. [8] В такой конструкции пластинчатых кулачков имеют значение несколько ключевых терминов: базовая окружность , первичная окружность (с радиусом, равным сумме радиуса толкателя и радиуса первичной окружности), кривая шага, которая является радиальной кривой, вычерченной путем применения радиальных смещений от первичной окружности по всем углам, и угол разделения кулачков ( LSA — угол между двумя соседними кулачками впускного и выпускного кулачков).
Базовая окружность — это наименьшая окружность, которую можно нарисовать на профиле кулачка.
Когда-то распространенным, но теперь устаревшим, применением этого типа кулачков были автоматические кулачки программирования станков. Каждое движение инструмента или операция контролировались непосредственно одним или несколькими кулачками. Инструкции по изготовлению программных кулачков и данные генерации кулачков для наиболее распространенных марок станков были включены в инженерные справочники еще в современную эпоху ЧПУ . [9]
Этот тип кулачка используется во многих простых контроллерах электромеханических приборов , таких как посудомоечные машины и стиральные машины, для приведения в действие механических переключателей, управляющих различными частями.
Цилиндрический кулачок или бочкообразный кулачок — это кулачок, в котором толкатель движется по поверхности цилиндра. В наиболее распространенном типе толкатель движется в канавке, вырезанной на поверхности цилиндра. Эти кулачки в основном используются для преобразования вращательного движения в линейное движение, перпендикулярное оси вращения цилиндра. Цилиндр может иметь несколько канавок, вырезанных на поверхности, и приводить в движение несколько толкателей. Цилиндрические кулачки могут обеспечивать движения, которые включают более одного поворота цилиндра и, как правило, обеспечивают положительное позиционирование, устраняя необходимость в пружине или другом обеспечении для удержания толкателя в контакте с поверхностью управления.
Области применения включают приводы станков, таких как возвратно-поступательные пилы, а также цилиндры управления переключением передач в последовательных трансмиссиях , например, на большинстве современных мотоциклов .
Частным случаем этого кулачка является постоянный ход , где положение следящего элемента линейно с вращением, как в ходовом винте. Назначение и детали реализации влияют на то, называется ли это приложение кулачком или винтовой резьбой, но в некоторых случаях номенклатура может быть неоднозначной.
Цилиндрические кулачки также могут использоваться для привязки выхода к двум входам, где один вход — это вращение цилиндра, а другой — положение следящего элемента вдоль кулачка. Выход радиален к цилиндру. Когда-то они были обычными для специальных функций в системах управления, таких как механизмы управления огнем для пушек на военно-морских судах [10] и механические аналоговые компьютеры. [11]
Примером цилиндрического кулачка с двумя входами является копировальный токарный станок , примером которого является токарный станок для обработки рукоятки топора Klotz [12], который вырезает рукоятку топора по форме, контролируемой шаблоном, действующим как кулачок для механизма токарного станка.
Лицевой кулачок производит движение с помощью толкателя, перемещающегося по поверхности диска. Наиболее распространенный тип имеет толкатель, перемещающийся в пазу, так что невыпадающий толкатель производит радиальное движение с положительным позиционированием без необходимости в пружине или другом механизме для удержания толкателя в контакте с поверхностью управления. Лицевой кулачок этого типа обычно имеет только один паз для толкателя на каждой поверхности. В некоторых приложениях один элемент, такой как шестерня, цилиндрический кулачок или другой вращающийся элемент с плоской поверхностью, может выполнять функцию лицевого кулачка в дополнение к другим целям.
Лицевые кулачки могут обеспечивать повторяющееся движение с канавкой, которая образует замкнутую кривую, или могут обеспечивать генерацию функции с остановленной канавкой. Кулачки, используемые для генерации функции, могут иметь канавки, которым требуется несколько оборотов для покрытия полной функции, и в этом случае функция, как правило, должна быть обратимой, чтобы канавка не пересекалась сама по себе, а выходное значение функции должно достаточно отличаться при соответствующих вращениях, чтобы было достаточно материала, разделяющего соседние сегменты канавки. Распространенной формой является кулачок с постоянным шагом, где смещение толкателя линейно с вращением, например, пластина прокрутки в патроне прокрутки . Необратимые функции, которые требуют, чтобы канавка пересекалась сама по себе, могут быть реализованы с использованием специальных конструкций толкателя.
Вариант лицевого кулачка обеспечивает движение параллельно оси вращения кулачка. Распространенным примером является традиционный замок створчатого окна , где кулачок устанавливается на верхнюю часть нижней створки, а толкатель — крючок на верхней створке. В этом приложении кулачок используется для обеспечения механического преимущества при принудительном закрытии окна, а также обеспечивает самоблокирующее действие, как некоторые червячные передачи , за счет трения.
Лицевые кулачки также могут использоваться для привязки одного выхода к двум входам, обычно где один вход — это вращение кулачка, а другой — радиальное положение толкателя. Выход параллелен оси кулачка. Они когда-то были обычным явлением в механических аналоговых вычислениях и специальных функциях в системах управления. [13]
Лицевой кулачок, реализующий три выхода для одного вращательного входа, — это стереофонограф , где относительно постоянная направляющая канавка направляет иглу и тонарм, действуя как коромысло (тонарм) или линейный (линейный трекинговый проигрыватель) следящий элемент, а игла сама по себе действует как следящий элемент для двух ортогональных выходов для представления аудиосигналов. Эти движения находятся в плоскости, радиальной вращению пластинки, и под углом 45 градусов к плоскости диска (перпендикулярно поверхностям канавок). Положение тонарма использовалось некоторыми проигрывателями в качестве управляющего входа, например, для выключения устройства или загрузки следующего диска в стопку, но игнорировалось в простых устройствах.
Этот тип кулачка, в форме симметричного сердца, используется для возврата вала, удерживающего кулачок, в установленное положение под давлением ролика. Они использовались в ранних моделях главных часов почтового отделения для синхронизации времени часов со средним временем по Гринвичу, когда активирующий следящий элемент автоматически нажимал на кулачок с помощью сигнала от источника точного времени. [14]
Этот тип кулачка использовался, например, в механических хронометрических часах для приведения в действие механизма перевода дня точно в полночь и состоял из толкателя, поднимаемого кулачком в течение 24 часов по спиральной траектории, которая заканчивалась резким срезом, при котором толкатель опускался и активировал перевод дня. Там, где требовалась точность отсчета времени, как в часах с отсчетом времени, они обычно были изобретательно устроены так, чтобы роликовый толкатель поднимал падающий груз на протяжении большей части его пути почти до полной высоты, и только на последней части его пути груз принимался и поддерживался твердым толкателем с острым краем. Это гарантировало, что груз опускался в точный момент, обеспечивая точный отсчет времени. [15] Это было достигнуто с помощью двух улиточных кулачков, установленных соосно, при этом ролик изначально опирался на один кулачок, а последний твердый толкатель — на другой, но не соприкасался с его профилем кулачка. Таким образом, роликовый кулачок изначально нес вес, пока на заключительном этапе движения профиль нероликового кулачка не поднялся больше, чем другой, заставив сплошной толкатель принять вес.
Линейный кулачок — это тот, в котором элемент кулачка движется по прямой линии, а не вращается. Элемент кулачка часто представляет собой пластину или блок, но может иметь любое поперечное сечение. [16] Ключевой особенностью является то, что входное движение является линейным, а не вращательным. Профиль кулачка может быть вырезан на одном или нескольких краях пластины или блока, может быть одним или несколькими пазами или канавками на поверхности элемента или даже может быть профилем поверхности для кулачка с более чем одним входом. Разработка линейного кулачка похожа, но не идентична разработке вращающегося кулачка. [17]
Типичным примером линейного кулачка является ключ для штифтового замка . Штифты действуют как толкатели. Такое поведение проявляется, когда ключ дублируется в станке для изготовления дубликатов ключей, где оригинальный ключ действует как управляющий кулачок для изготовления нового ключа.
Кулачковые механизмы появились в Китае около 600 г. до н. э. в виде спускового механизма арбалета с кулачковым рычагом. [18] Однако спусковой механизм не вращался вокруг своей оси, и традиционная китайская технология в целом мало использовала непрерывно вращающиеся кулачки. [19] Тем не менее, более поздние исследования показали, что такие кулачковые механизмы на самом деле вращались вокруг своей оси. [20] Аналогичным образом, более поздние исследования показывают, что кулачки использовались в водяных отбойных молотках во второй половине династии Западная Хань (206 г. до н. э. - 8 г. н. э.), как записано в Хуань Цзы Синь Лунь. Сложные пестики также упоминались в более поздних записях, таких как Цзинь Чжу Гун Цзань и Тянь Гун Кай У, среди многих других записей о водяных пестах. [21] Во времена династии Тан деревянные часы внутри астрономического устройства, работающего на воде, шпоры внутри армиллярной сферы, работающей на воде, автоматический будильник внутри пятиколесных часов, работающих на песке, искусственные бумажные фигурки внутри вращающегося фонаря — все они использовали кулачковые механизмы. [22] Китайский годометр, который использовал механизм колокола и гонга, также является кулачком, как описано в «Сун Ши». В книге «Ноншу» вертикальное колесо духового механизма, работающего на воде, также является кулачком. [23] Из этих примеров, пестик, работающий на воде, и духовой механизм, работающий на воде, оба имеют два кулачковых механизма внутри. [24] Кулачки, которые вращались непрерывно и функционировали как неотъемлемые элементы машины, были встроены в эллинистические автоматы, работающие на воде, с 3-го века до н. э. [25]
Кулачок и кулачковый вал позднее появились в механизмах Аль-Джазари , который использовал их в своих автоматах, описанных в 1206 году. [26] Кулачок и кулачковый вал появились в европейских механизмах с 14 века. [27] Уолдо Дж. Келли из Electrical Apparatus Company запатентовал регулируемый кулачок [28] в Соединенных Штатах в 1956 году для использования в машиностроении и производстве оружия.
вращающаяся или скользящая деталь (как эксцентриковое колесо или цилиндр неправильной формы) в механическом соединении, используемая, в частности, для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение или наоборот
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )